Mental rotation
Shepard & Metzler (1971) introducerede begrebet mental rotation i kognitionsvidenskaben med hvad der er blevet et af de mest kendte eksperimenter inden for området. Denne berømmelse kan til dels skyldes, at eksperimentet er forbundet med et sæt mindeværdige grafiske billeder (f.eks. figur 1), hvoraf nogle af dem kom på forsiden af det nummer af Science, hvor det blev offentliggjort første gang. Det er imidlertid også et bemærkelsesværdigt elegant eksperiment, som gav nogle slående klare resultater. Resultaterne syntes direkte at modbevise den behavioristiske doktrin, der stadig havde stor indflydelse blandt psykologer på det tidspunkt, om at tankeprocesser udelukkende afhænger af sproget. Ved at antyde, at analoge repræsentationer spiller en vigtig rolle i tænkningen, gav resultaterne også anledning til umiddelbare vanskeligheder (om end ikke nødvendigvis uoverstigelige) for den (digitale) computermodel af sindet, som var kernen i det nyopståede område for kognitiv videnskab (Block, 1983a).
Figur 1
Nogle af de stimulusfigurpar, som Shepard & Metzler (1971) anvendte.
A- Identiske objekter, der adskiller sig ved en rotation i sideplanet
B – Identiske objekter, der adskiller sig ved en rotation i dybden
C – Objekter i spejlbillede (også roteret i dybden)
Shepard & Metzler præsenterede deres forsøgspersoner for par af tegninger af tredimensionale, asymmetriske assemblager af terninger, som vist i figur 1 A, B og C. I hvert par viste det højre billede enten en samling, der var identisk med den, der var vist til venstre, men drejet fra den oprindelige position med et vist beløb, eller også viste det en samling, der ikke blot var drejet, men også var spejlbillede af den til venstre (figur 1 C). Forsøgsopgaven bestod i så hurtigt som muligt (ved at trykke på en knap) at afgøre, om de to afbildede genstande faktisk var identiske (bortset fra rotationen) eller om de var spejlbilleder. Shepards hypotese var, at opgaven ville blive løst ved at danne et tredimensionalt mentalt billede af en af de afbildede genstande og dreje hele dette billede i fantasien for at se, om det kunne bringes i overensstemmelse med det andet billede. De eksperimentelle resultater støttede klart denne idé, for det blev konstateret, at den tid, det tog for hver forsøgsperson at bekræfte, at begge objekter i et par faktisk var identiske, steg i direkte forhold til den vinkelmæssige rotationsforskel mellem dem. Det var, som om forsøgspersonerne roterede deres mentale billede med en konstant hastighed (selv om dette kunne være forskelligt for hver enkelt forsøgsperson), således at jo længere de skulle gå for at bringe deres billede i overensstemmelse med referencebilledet, jo længere tid ville det tage dem. Ved en efterfølgende afhøring bekræftede de fleste af forsøgspersonerne, at det faktisk var sådan, de mente, at de havde udført opgaven. (Interessant nok gjorde det ingen forskel, om rotationen foregik i sidens plan eller i dybden.)
På trods af dette eksperiments elegance og de klare resultater (flotte lineære plotter af reaktionstiden i forhold til rotationsvinklen) gik Shepards fortolkning af det som bevis for irreducibly analoge og intrinsisk rumlige processer i tænkningen og for det, han kaldte en “andenordensisomorfi” mellem billede og objekt (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), bestemt ikke ubesvaret hen. Nogle forskere anfægtede Shepards påstand om, at hans resultater viser, at billeder roteres som en helhed, snarere end at deres dele sammenlignes stykke for stykke (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Mere radikalt har nogle tvivlet på, om rotationsopgaven overhovedet involverer billeddannelse(Marks, 1999). I modsætning til eksperimenterne med billeddannende mnemoteknik blev forsøgspersonerne trods alt aldrig udtrykkeligt bedt om at bruge billeddannelse ved udførelsen af sammenligningsopgaven, og alternative forklaringer på resultatet (dvs. den lineære sammenhæng mellem reaktionstid og rotationsvinkel) er tænkelige. For eksempel argumenterede Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), som fulgte forsøgspersonernes øjenbevægelser, mens de udførte en version af Shepard & Metzler-opgaven, at den lineære stigning i reaktionstiden ikke opstod på grund af den indre rotation af et billede, men på grund af et behov for at foretage flere øjenbevægelser mellem de to billeder (for at sammenligne deres træk), jo mere de blev drejet i forhold til hinanden. I den ikonofobiske kultur, der stadig var fremherskende i psykologien i begyndelsen af 1970’erne, var en sådan “billedløs” fortolkning af resultaterne stadig i høj grad en levende mulighed. Det betød naturligvis, at enhver påstand fra forsøgspersonerne om at have dannet og roteret mentale billeder måtte afvises, men behaviorismen havde for længst lært psykologerne at tillægge denne slags subjektive, indadvendte data meget lidt vægt.
Derimod hviler argumentet for mental rotation ikke udelukkende på dette ene berømte eksperiment. Shepard og hans studerende (især Lynn Cooper) var efterfølgende i stand til at påvise mental rotation og andre relaterede effekter i en hel række forskellige eksperimentelle design (se Shepard & Cooper et al., 1982), der for det meste var designet til at blokere alternative fortolkninger af resultaterne, der ville undgå behovet for at postulere roterende billeddannelse. De fleste af disse andre eksperimenter involverede ikke sammenligning af to samtidigt synlige billeder, hvilket ikke gav plads til den slags øjenbevægelsesforklaring, som Just & Carpenter havde foreslået. For eksempel præsenterede Cooper & Shepard (1973) sine forsøgspersoner for et bogstav i alfabetet, der var roteret ud af sin normale, opretstående orientering, og bad dem igen om at angive, om bogstavet var i sin normale form eller i sit spejlbillede (bagudvendt) (se figur 2). igen viste det sig, at responstiden steg, jo længere stimulusbogstavet var roteret fra den opretstående position (selv om forholdet af grunde, som vi ikke behøver at opholde os ved, ikke var så pænt lineært som i det tidligere eksperiment). Den implicitte forklaring er, at forsøgspersonerne roterer deres billede af det ikke-oprejste bogstav, som de får vist, til dets kanoniske oprejste orientering for at sammenligne det med deres hukommelse om, hvordan bogstavet normalt ville se ud.
Figur 2
Roterede bogstavstimuli af den slags, som Cooper & Shepard (1973) har anvendt.
Cooper (f.eks, 1975, 1976) foretog også flere eksperimenter om mental rotation af komplekse uregelmæssige polygoner, som f.eks. dem i figur 3, og noget af dette arbejde var afhængigt af, at forsøgspersonerne udtrykkeligt blev bedt om at danne og rotere mentale billeder af polygonerne (hvis form de tidligere havde lært udenad). Igen blev der fundet en lineær afhængighed af reaktionstiden i forhold til vinklen, hvilket tyder på en jævn, regelmæssig rotation af et billede. En fordel ved de eksplicitte billedinstruktioner, der blev anvendt i disse eksperimenter, er, at de skaber en mere eksplicit forbindelse mellem de målte resultater og billeddannelse som en bevidsthedsoplevelse under frivillig kontrol. På den anden side åbner det op for den meget reelle mulighed for, at resultaterne kan bortforklares som et resultat af “eksperimentel efterspørgsel” (i det væsentlige forsøger forsøgspersonerne bevidst at producere de resultater, som de tror, at eksperimentatorerne ønsker, uanset de faktiske underliggende kognitive processer, der er involveret – se Supplement: Problemet med efterspørgselskarakteristika i billedeksperimenter – se supplementet: Problemet med efterspørgselskarakteristika i billedeksperimenter). Psykologer ved godt, at dette er et meget reelt problem inden for mange områder af eksperimentel psykologisk forskning (Orne, 1962), og det er blevet vist, at det er særlig problematisk i billedforskning af denne type (Intons-Peterson, 1983). Men når disse eksperimenter af Cooper tages sammen med de andre rotationseksperimenter, der ikke anvendte eksplicitte billedinstruktioner og gav lidt fodfæste for, at eksperimentelle krav kunne påvirke resultaterne (f.eks. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (og andre eksperimenter, der ikke er diskuteret her: se Shepard & Cooper et al, 1982) udgør de et stærkt argument for realiteten og robustheden af det mentale rotationsfænomen.
Figur 3
Eksempler på uregelmæssige polygoner, der blev anvendt i mentale rotationsforsøg af Cooper (1975, 1976).
Mentale rotationsforsøg efter det oprindelige Shepard & Metzler(1971)-design (eller varianter heraf) er næsten enestående blandt billedeksperimenter, idet de hverken er afhængige af verbale rapporter fra forsøgspersonerne eller af eksplicitte verbale instruktioner om at bruge billeder ved udførelsen af den eksperimentelle opgave. De kan således tilpasses til brug med dyreforsøgspersoner, hvilket giver mulighed for at tilvejebringe direkte beviser for forekomsten af billeddannelse hos ikke-menneskelige dyr. Resultaterne af forsøg på at gøre dette med både fugle (duer) og forskellige arter af aber har imidlertid været blandede, for at sige det mildt, og stort set skuffende (Hollard & Delius, 1982; Rilling &Neiworth, 1987, 1991; Georgopoulos et al, 1989; Hopkinset al., 1993; Vauclair et al., 1993; Delius &Hollard, 1995; Köhler et al., 2005; Burmann etal., 2005; Nekovarova et al., 2013). Bemærkelsesværdigt nok kommer det mest plausible bevis for, at alle dyr kan bruge den mentale rotationsstrategi, og dermed sandsynligvis opleve billeddannelse, fra arbejde med søløver (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al.,2003).
På den anden side synes effekten ikke at være specifikt afhængig af visuelle billeder: den er blevet påvist hos medfødte blinde mennesker (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), som generelt antages ikke at opleve visuellementale billeder, og som derfor formodentlig roterer haptiske eller kinæstetiske billeder. Mentale rotationsevner er også blevet undersøgt hos spædbørn(Örnkloo & von Hofsten, 2007), ældre mennesker (Dror etal., 2005) og hos personer med neurologiske problemer (Courboiset al, 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), og der er blevet undersøgt alders-, køns- og endda seksualorienteringsrelaterede forskelle i dens ydeevne (f.eks. Richardson, 1994;; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl etal,. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse etal., 2008). Desuden er begrebet mental rotation blevet anvendt på praktiske spørgsmål, der spænder fra forbedring af kirurgisk teknik (Conrad et al., 2006) til forståelse og behandling af ordblindhed (Russeler et al.,
Der er fortsat uenighed om de underliggende mekanismer for mental rotation (som for billeddannelse i almindelighed), men disse er for nylig blevet undersøgt ved hjælp af flere neurovidenskabelige teknikker, såsom målinger af øjenbevægelser (de’Sperati, 2003), direkte registrering fra elektroder implanteret i hjernen (Georgopoulos et al., 1989), funktionel magnetisk resonansafbildning (fMRI) (f.eks. Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem etal., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle etal., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010) og transkranielmagnetisk stimulation (Ganis et al., 2000). En del af denne forskning har været fokuseret på “motorisk billeddannelse” (Jeannerod,1994) snarere end på visuel billeddannelse. Faktisk er det blevet foreslået, at motoriske processer og motoriske områder i hjernen kan være involveret i mentalrotation helt generelt (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007;men se Flusberg & Boroditsky, 2011).